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1、武汉理工大学材料学院第四章第四章 陶瓷的组成设计及配料计算陶瓷的组成设计及配料计算1.1.陶瓷的结构与性能陶瓷的结构与性能陶瓷的结构与性能陶瓷的结构与性能 2.2.常常常常见见陶瓷的原料与陶瓷的原料与陶瓷的原料与陶瓷的原料与组组成成成成 3.3.坯料的配制坯料的配制坯料的配制坯料的配制 4.4.配料计算配料计算配料计算配料计算 武汉理工大学材料学院1.陶瓷的结构与性能陶瓷的结构与性能陶瓷烧结体的显微组织结构陶瓷烧结体的显微组织结构陶瓷烧结体的显微组织结构陶瓷烧结体的显微组织结构vv 结晶物质结晶物质结晶物质结晶物质 vv 玻璃态物质玻璃态物质玻璃态物质玻璃态物质 vv 气孔气孔气孔气孔陶瓷的相
2、组成陶瓷的相组成陶瓷的相组成陶瓷的相组成武汉理工大学材料学院vv 陶瓷材料的键性：主要是陶瓷材料的键性：主要是离子键与共价键离子键与共价键，而且往往是，而且往往是 两种键杂交在一起。两种键杂交在一起。vv 陶瓷材料的实际强度为理论强度的陶瓷材料的实际强度为理论强度的陶瓷材料的实际强度为理论强度的陶瓷材料的实际强度为理论强度的1/10 l/1001/10 l/100。vv 陶瓷材料另一个陶瓷材料另一个陶瓷材料另一个陶瓷材料另一个强强度特征是室温下具有脆性。度特征是室温下具有脆性。度特征是室温下具有脆性。度特征是室温下具有脆性。vv 在外加在外加在外加在外加应应力作用下会突然断裂；其抗冲力作用下会
3、突然断裂；其抗冲力作用下会突然断裂；其抗冲力作用下会突然断裂；其抗冲击强击强度低，承受度低，承受度低，承受度低，承受 vv 温度温度温度温度剧变实剧变实力差。力差。力差。力差。武汉理工大学材料学院提高陶瓷性能的方法：提高陶瓷性能的方法：vv 提高材料的常温提高材料的常温提高材料的常温提高材料的常温强强度度度度 vv 降低其降低其降低其降低其总总气孔率，且限制好气孔的大小、形气孔率，且限制好气孔的大小、形气孔率，且限制好气孔的大小、形气孔率，且限制好气孔的大小、形态态和分布。和分布。和分布。和分布。还还要限制晶粒的大小、数量和形要限制晶粒的大小、数量和形要限制晶粒的大小、数量和形要限制晶粒的大小
4、、数量和形态态。vv 改善脆性改善脆性改善脆性改善脆性 vv 降低脆性降低脆性降低脆性降低脆性(即增即增即增即增韧韧)对对提高提高提高提高强强度有利。度有利。度有利。度有利。vv 增增增增韧韧方法：一般有表面方法：一般有表面方法：一般有表面方法：一般有表面补强补强、复合增、复合增、复合增、复合增韧韧和相和相和相和相变变增增增增韧韧。vv 除除除除强强度和脆性外，陶瓷材料的高温力学性能、光学性能、度和脆性外，陶瓷材料的高温力学性能、光学性能、度和脆性外，陶瓷材料的高温力学性能、光学性能、度和脆性外，陶瓷材料的高温力学性能、光学性能、介介介介电电、磁学性能都与材料的、磁学性能都与材料的、磁学性能都
5、与材料的、磁学性能都与材料的组组成和成和成和成和结结构构构构亲亲密相关。密相关。密相关。密相关。武汉理工大学材料学院2.2.常见陶瓷的原料与组成常见陶瓷的原料与组成常见陶瓷的原料与组成常见陶瓷的原料与组成 长石质瓷长石质瓷长石质瓷长石质瓷绢云母质瓷绢云母质瓷绢云母质瓷绢云母质瓷武汉理工大学材料学院骨灰瓷骨灰瓷骨灰瓷骨灰瓷武汉理工大学材料学院滑石质瓷滑石质瓷滑石质瓷滑石质瓷武汉理工大学材料学院马赛克马赛克马赛克马赛克武汉理工大学材料学院3、坯料组成的表示方法、坯料组成的表示方法 v 配料比（量）表示法配料比（量）表示法配料比（量）表示法配料比（量）表示法 v 矿矿物物物物组组成成成成(又称示性又
6、称示性又称示性又称示性矿矿物物物物组组成成成成)表示表示表示表示 v 化学化学化学化学组组成表示成表示成表示成表示 v 试验试验公式公式公式公式(赛赛格式格式格式格式)表示表示表示表示 v 分子式表示法分子式表示法分子式表示法分子式表示法武汉理工大学材料学院 配料比（量）表示法配料比（量）表示法 这是最常见的方法，这是最常见的方法，这是最常见的方法，这是最常见的方法，列出每种原料的重量百分比列出每种原料的重量百分比列出每种原料的重量百分比列出每种原料的重量百分比。如刚玉瓷的配方：工业氧化铝如刚玉瓷的配方：工业氧化铝如刚玉瓷的配方：工业氧化铝如刚玉瓷的配方：工业氧化铝95.095.095.095
7、.0、苏州高岭土、苏州高岭土、苏州高岭土、苏州高岭土2.02.02.02.0、海城滑石海城滑石海城滑石海城滑石3.03.03.03.0。卫卫生瓷乳生瓷乳生瓷乳生瓷乳浊浊釉的配方：釉的配方：釉的配方：釉的配方：长长石石石石33.233.233.233.2、石英、石英、石英、石英20.420.420.420.4、苏苏州州州州 高岭土高岭土高岭土高岭土3.93.93.93.9、广、广、广、广东锆东锆英石英石英石英石13.413.413.413.4、氧化、氧化、氧化、氧化 锌锌4.74.74.74.7、煅、煅、煅、煅烧烧滑石滑石滑石滑石9.49.49.49.4、石灰石、石灰石、石灰石、石灰石9.59.
8、59.59.5、碱石碱石碱石碱石5.55.55.55.5。vv 具体反映原料的名称和数量，便于干脆具体反映原料的名称和数量，便于干脆具体反映原料的名称和数量，便于干脆具体反映原料的名称和数量，便于干脆进进行生行生行生行生产产或或或或试验试验。vv 无法相互比照比无法相互比照比无法相互比照比无法相互比照比较较或干脆引用。或干脆引用。或干脆引用。或干脆引用。武汉理工大学材料学院 矿物组成矿物组成(又称示性矿物组成又称示性矿物组成)表示法表示法 一般陶瓷生一般陶瓷生一般陶瓷生一般陶瓷生产产中，常把自然原料中所含的同中，常把自然原料中所含的同中，常把自然原料中所含的同中，常把自然原料中所含的同类矿类矿
9、物含量物含量物含量物含量 合并在一起，用粘土合并在一起，用粘土合并在一起，用粘土合并在一起，用粘土矿矿物、物、物、物、长长石石石石类矿类矿物及石英三种物及石英三种物及石英三种物及石英三种矿矿物的重物的重物的重物的重 量百分比表示坯体的量百分比表示坯体的量百分比表示坯体的量百分比表示坯体的组组成。成。成。成。依据依据依据依据：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。这这种方法只能粗略地反映一些状况。种方法只能粗略地反映一些状况。种方法只能粗略地反映一些状况
10、。种方法只能粗略地反映一些状况。武汉理工大学材料学院 化学组成表示法化学组成表示法 依据化学分析的依据化学分析的依据化学分析的依据化学分析的结结果，用各种氧化物及灼减量的果，用各种氧化物及灼减量的果，用各种氧化物及灼减量的果，用各种氧化物及灼减量的 重量百分比反映坯和釉料的成分。重量百分比反映坯和釉料的成分。重量百分比反映坯和釉料的成分。重量百分比反映坯和釉料的成分。利用利用利用利用这这些数据可以初步推断坯、釉的一些基本性些数据可以初步推断坯、釉的一些基本性些数据可以初步推断坯、釉的一些基本性些数据可以初步推断坯、釉的一些基本性质质。再用原料的化学再用原料的化学再用原料的化学再用原料的化学组组
11、成可以成可以成可以成可以计计算出符合既定算出符合既定算出符合既定算出符合既定组组成的配方。成的配方。成的配方。成的配方。由于原料和由于原料和由于原料和由于原料和产产品中品中品中品中这这些氧化物不是些氧化物不是些氧化物不是些氧化物不是单单独和孤立存在的，独和孤立存在的，独和孤立存在的，独和孤立存在的，它它它它们们之之之之间间的关系和反的关系和反的关系和反的关系和反应应状况又比状况又比状况又比状况又比较较困困困困难难，因此，因此，因此，因此这这种方法也种方法也种方法也种方法也 有其局限性。有其局限性。有其局限性。有其局限性。武汉理工大学材料学院 试验公式公式(赛格式格式)表示法表示法 以配方中各氧
12、化物的摩尔数来表示，即依据坯或釉的化学组成计算以配方中各氧化物的摩尔数来表示，即依据坯或釉的化学组成计算以配方中各氧化物的摩尔数来表示，即依据坯或釉的化学组成计算以配方中各氧化物的摩尔数来表示，即依据坯或釉的化学组成计算出各氧化物的分子数，依据碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物出各氧化物的分子数，依据碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物出各氧化物的分子数，依据碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物出各氧化物的分子数，依据碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的依次排列。这种式子称为坯式或釉式。的依次排列。这种式子称为坯式或釉式。的依次排列。这种式子称为坯式或釉式。的依次排列。这种式子称为坯式或釉式。坯式
13、坯式坯式坯式通常以中性氧化物通常以中性氧化物通常以中性氧化物通常以中性氧化物R R2 2OO3 3为基准，令其分子数为为基准，令其分子数为为基准，令其分子数为为基准，令其分子数为1 1，则可写成下列形式：则可写成下列形式：则可写成下列形式：则可写成下列形式：（x xRR2 2O+O+y yRORO）1R1R2 2OO3 3 z zSiOSiO2 2 在釉料中碱金属及碱土金属氧化物起熔剂作用，所以釉式中常在釉料中碱金属及碱土金属氧化物起熔剂作用，所以釉式中常在釉料中碱金属及碱土金属氧化物起熔剂作用，所以釉式中常在釉料中碱金属及碱土金属氧化物起熔剂作用，所以釉式中常以它们的分子数之和为以它们的分子
14、数之和为以它们的分子数之和为以它们的分子数之和为1 1，写成的，写成的，写成的，写成的釉式釉式釉式釉式为：为：为：为：11（R R2 2O+ROO+RO）u uRR2 2OO3 3 v vSiOSiO2 2武汉理工大学材料学院电子工业用的陶瓷常用分子式表示其组成。配方中以各电子工业用的陶瓷常用分子式表示其组成。配方中以各电子工业用的陶瓷常用分子式表示其组成。配方中以各电子工业用的陶瓷常用分子式表示其组成。配方中以各元素分子数量或分子百分数来表示。元素分子数量或分子百分数来表示。元素分子数量或分子百分数来表示。元素分子数量或分子百分数来表示。例如最简洁的锆例如最简洁的锆例如最简洁的锆例如最简洁的
15、锆钛钛钛钛铅固溶体的分子式为：铅固溶体的分子式为：铅固溶体的分子式为：铅固溶体的分子式为：Pb Pb（ZrxTi1-xZrxTi1-x）O3 O3 它表示它表示它表示它表示PbTiO3PbTiO3中的中的中的中的TiTi有有有有x x分子被分子被分子被分子被ZrZr取代。取代。取代。取代。如如如如：PbPb0.9200.920MgMg0.0400.040SrSr0.0250.025BaBa0.0150.015（ZrZr0.530.53TiTi0.470.47）OO3 3 +0.500 +0.500 重量重量重量重量CeOCeO2 2+0.225+0.225重量重量重量重量MnOMnO2 2上式
16、表示：上式表示：上式表示：上式表示：PbPb（ZrZr0.530.53TiTi0.470.47）OO3 3中的中的中的中的PbPb有有有有4 4分子被分子被分子被分子被MgMg取代，取代，取代，取代，2.52.5分子被分子被分子被分子被SrSr取代，取代，取代，取代，1.5%1.5%分子被分子被分子被分子被BaBa取代；在取代；在取代；在取代；在PbTiOPbTiO3 3中的中的中的中的Ti Ti 有有有有5353分子被分子被分子被分子被ZrZr取代，或者说取代，或者说取代，或者说取代，或者说PbTiOPbTiO3 3中的中的中的中的ZrZr有有有有4747被被被被TiTiTiTi取代。取代。
17、取代。取代。外加的外加的外加的外加的CeOCeO2 2和和和和MoOMoO2 2为改性物质。为改性物质。为改性物质。为改性物质。分子式表示法分子式表示法 武汉理工大学材料学院4、配料计算、配料计算几种不同表示方法的换算几种不同表示方法的换算几种不同表示方法的换算几种不同表示方法的换算:a a、由坯料的化学组成计算坯式、由坯料的化学组成计算坯式、由坯料的化学组成计算坯式、由坯料的化学组成计算坯式 b b、由坯式、由坯式、由坯式、由坯式(或分子式或分子式或分子式或分子式)计算配料量计算配料量计算配料量计算配料量 c c、由化学组成计算配料量、由化学组成计算配料量、由化学组成计算配料量、由化学组成计
18、算配料量 武汉理工大学材料学院知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算：知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算：知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算：知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算：a、由坯料的化学组成计算坯式（釉式）、由坯料的化学组成计算坯式（釉式）vv 若坯料中的化学若坯料中的化学若坯料中的化学若坯料中的化学组组成包含有灼减量成分，首先成包含有灼减量成分，首先成包含有灼减量成分，首先成包含有灼减量成分，首先应应将其将其将其将其换换算算算算 vv 成不含灼减量的化学成不含灼减量的化学成不含灼减量的化学成不含灼减量的化学组组成；成；成；成；vv 以各氧化物的摩以各氧化物的摩以各氧化物的摩以各氧
19、化物的摩尔质尔质量，分量，分量，分量，分别别除各除各除各除各该项该项氧化物的氧化物的氧化物的氧化物的质质量百分量百分量百分量百分 vv 数，得到各氧化物的摩数，得到各氧化物的摩数，得到各氧化物的摩数，得到各氧化物的摩尔尔数；数；数；数；vv 以碱性氧化物或中性氧化物摩以碱性氧化物或中性氧化物摩以碱性氧化物或中性氧化物摩以碱性氧化物或中性氧化物摩尔尔数之和，分数之和，分数之和，分数之和，分别别除各氧化物的除各氧化物的除各氧化物的除各氧化物的 vv 摩摩摩摩尔尔数，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物的摩数，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物的摩数，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物的摩数，即得到一
20、套以碱性氧化物或中性氧化物的摩尔尔数数数数值值 vv 按按按按ROR2O3RO2ROR2O3RO2的依次排列的的依次排列的的依次排列的的依次排列的试验试验式。式。式。式。武汉理工大学材料学院例例 某瓷坯的化学某瓷坯的化学组成如表成如表2-18所示，所示，试求求该瓷坯的瓷坯的试验式。式。表表2-18 某瓷坯的化学某瓷坯的化学组成成O 67.09 26.33 0.86 1.22 0.34 2.17 2.00 100 Al2O3摩摩 尔 数数：26.33/101.96=0.2582；Fe2O3摩摩 尔 数数：0.86/159.7=0.0054 0.2582+0.0054=0.2636 0.2582/
21、0.2636=0.9795 0.0054/0.2636=0.0205 SiO2摩摩尔数：数：67.09/60.09=1.1165 1.1165/0.2636=4.236 同理同理获得其他氧化物前的摩得其他氧化物前的摩尔数。数。经上述上述计算步算步骤可得可得该瓷坯瓷坯试验式式为：武汉理工大学材料学院b、由坯式、由坯式(或分子式或分子式)计算配方计算配方 例：今欲配制压电陶瓷的分子式为：例：今欲配制压电陶瓷的分子式为：例：今欲配制压电陶瓷的分子式为：例：今欲配制压电陶瓷的分子式为：PbPb0.950.95SrSr0.050.05(Zr(Zr0.50.5TiTi0.50.5)O)O3 3十十十十0.
22、50.5Cr Cr 2 2OO3 3十十十十0.30.3FeFe 2 2OO3 3 所接受原料与所接受原料与所接受原料与所接受原料与纯纯度度度度见见下表，欲配料下表，欲配料下表，欲配料下表，欲配料1kg1kg（不包含外加（不包含外加（不包含外加（不包含外加 改性改性改性改性剂剂），），），），试计试计算各原料的配比。算各原料的配比。算各原料的配比。算各原料的配比。武汉理工大学材料学院解：解：解：解：(1)(1)(1)(1)先先先先计计算算算算坯式的分子量坯式的分子量坯式的分子量坯式的分子量 将坯式改写为：将坯式改写为：将坯式改写为：将坯式改写为：（PbOPbO）0.950.95 （SrOSrO
23、）0.050.05 （ZrOZrO2 2）0.50.5（TiOTiO2 2）0.50.51 1摩尔坯料的质量，即摩尔坯料的质量，即摩尔坯料的质量，即摩尔坯料的质量，即1 1摩尔摩尔摩尔摩尔PbPb0.950.95SrSr0.050.05(Zr(Zr0.50.5TiTi0.50.5)O)O3 3 的质量为的质量为的质量为的质量为318.79g318.79g武汉理工大学材料学院(2)(2)(2)(2)计计算各主要原料所需的算各主要原料所需的算各主要原料所需的算各主要原料所需的质质量量量量()PbO PbO：212.05212.05318.79318.7966.5266.52 SrO SrO：5.1
24、85.18318.79318.791.621.62 ZrO ZrO2 2：61.6161.61318318797919193333 TiO TiO 2 2：39.9539.95318.79318.7912.5312.53 把把PbO、SrO数量折算为数量折算为Pb3O4及及SrCO3的数量：的数量：由由由由PbPb3 3OO4 4分解生成分解生成分解生成分解生成PbOPbO的百分比为的百分比为的百分比为的百分比为：3PbO/Pb3PbO/Pb3 3OO4 4=3=3 223.21/685.63 223.21/685.63 100=97.67(%)100=97.67(%)即须要即须要即须要即须要
25、Pb3O4Pb3O4：66.52/97.64 66.52/97.64 100=68.11(%)100=68.11(%)武汉理工大学材料学院由由由由SrCOSrCO3 3分解生成分解生成分解生成分解生成SrOSrO的百分比为：的百分比为：的百分比为：的百分比为：SrO/SrCOSrO/SrCO3 3=103.62/147.63 =103.62/147.63 100=70.18(%)100=70.18(%)即须要即须要即须要即须要SrCO3SrCO3：1.62/70.18 1.62/70.18 100=2.3(%)100=2.3(%)计算计算计算计算外加剂铅外加剂铅外加剂铅外加剂铅及改性剂的质量及
26、改性剂的质量及改性剂的质量及改性剂的质量()在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个 损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的 0.50.51.51.5。这里确定多加入。这里确定多加入。这里确定多加入。这里确定多加入PbPb3 3OO4 41.51.5。外加改性剂的质量百分数在分子式中给出为：外
27、加改性剂的质量百分数在分子式中给出为：外加改性剂的质量百分数在分子式中给出为：外加改性剂的质量百分数在分子式中给出为：0.50.5CrCr2 2OO3 3，0.30.3FeFe2 2OO3 3。武汉理工大学材料学院按原料纯度计算原料用量，见下表按原料纯度计算原料用量，见下表按原料纯度计算原料用量，见下表按原料纯度计算原料用量，见下表武汉理工大学材料学院c、由化学组成计算配料量、由化学组成计算配料量例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表，例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表，例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表，例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表，试计算此耐热瓷坯的配料量
28、。试计算此耐热瓷坯的配料量。试计算此耐热瓷坯的配料量。试计算此耐热瓷坯的配料量。武汉理工大学材料学院解：解：解：解：I.I.将原料干燥基化学组成换算成灼烧基将原料干燥基化学组成换算成灼烧基将原料干燥基化学组成换算成灼烧基将原料干燥基化学组成换算成灼烧基(不含灼减量不含灼减量不含灼减量不含灼减量)的化学组成。的化学组成。的化学组成。的化学组成。如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含 灼减量的各氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基灼减量的各
29、氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基灼减量的各氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基灼减量的各氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基 化学组成如下表化学组成如下表化学组成如下表化学组成如下表(K(K2 2OO、NaNa2 2OO以合量计以合量计以合量计以合量计)。武汉理工大学材料学院II.II.列表列表列表列表 用化学成分用化学成分用化学成分用化学成分满满足法足法足法足法进进行配料行配料行配料行配料计计算，其坯料中膨算，其坯料中膨算，其坯料中膨算，其坯料中膨润润土用量土用量土用量土用量 规规定不超定不超定不超定不超过过5 5，兹兹定定定定为为4 4。计计算算算算过过程程程程见见下表：下表：下表：下表：武汉理工大学材料学院III.III.计算原料干燥基的百分含量计算原料干燥基的百分含量计算原料干燥基的百分含量计算原料干燥基的百分含量 在计算粘土用量时所带入的在计算粘土用量时所带入的在计算粘土用量时所带入的在计算粘土用量时所带入的MgOMgO及及及及KK2 2OO、NaNa2 2OO，如含量，如含量，如含量，如含量 很少，可以不予考虑。很少，可以不予考虑。很少，可以不予考虑。很少，可以不予考虑。